长宁背斜龙马溪组页岩裂缝发育特征及期次解析

万远飞，秦启荣，范 宇，吴建发，赵圣贤，季春海，范存辉

(1.西南石油大学，四川 成都 610500;2.天然气地质四川省重点实验室，四川 成都 610500;3.中国石油西南油气田分公司，四川 成都 610056)

0 引言

川南长宁地区为石油与天然气勘探开发的重点地区，针对该区域构造演化对油气富集与运移的影响，开展了大量研究。杨武年［1］采用遥感图像分层解析法，对川南宏观构造及有关横张大裂缝系统进行详细分析，并结合力学方法，探讨了该区构造组合的空间格局及控矿(油气)规律;唐鑫［2］通过实验测试、数值模拟等方法，对川南地区龙马溪组页岩沉积—生烃—成藏或破坏的时空匹配关系进行研究，阐述了构造演化对页岩气成藏的控制作用;黄金亮等［3］从多个方面对川南龙马溪组页岩气形成条件进行分析，认为长宁－珙县地区为勘探开发有利区，裂缝发育程度为页岩气保存条件的主控因素之一。然而，目前对复杂构造条件下页岩气成藏模式的研究还不够成熟，裂缝发育特征及期次对页岩气富集成藏的具体作用还不明确［4－7］。该文通过对川南长宁背斜两翼出露的龙马溪组裂缝进行观测与统计，对原始裂缝数据进行处理并制作走向玫瑰花图，配合野外裂缝的交切、组合关系，对裂缝分期配套;并运用赤平投影、受力反演、构造行迹等多种构造解析手段，研究裂缝特征、期次与构造应力场演化的关系，以期为下一步勘探开发提供参考。

1 区域地质概况

研究区位于四川盆地南缘，构造上位于川南低陡褶皱带与娄山褶皱带间的过渡区(图1)，川南地区构造边界由3条主要断裂带交错衔接成三角形， 构造行迹完全受三角形边界控制［8－9］。长宁背斜属于该区域次级构造单元，背斜轴向为NWW—SEE，向西延伸至高县以南，向东到叙永地区，北翼及东端陡，南翼及西端缓。背斜内次级褶皱和断裂发育，根据构造走向主要有北东、北西和近东西3个方向，不同构造形迹之间相互限制、叠加，形成多高点、多断裂、多鼻状构造等特点。

图1 研究区构造Fig.1 The structure of study area

研究区出露地层较全，从背斜核部至两翼，除缺失泥盆系、石炭系地层外，震旦系—白垩系地层均有出露，各地层无明显角度不整合。目的层下志留统龙马溪组出露于背斜两翼，沉积期主要处于深水陆棚环境。其中，龙11亚段为主要开发层系，沉积环境为外陆棚亚相富有机质粉砂质泥棚及硅质泥棚微相，优质页岩厚度为20～30 m，资源勘探潜力巨大［10－11］。

2 裂缝发育特征

研究区龙马溪组地层出露良好，在长宁背斜两翼及转折端设置了狮子滩、双河、梅硐、油房头、虾子田、岩沙田、大坪上及楠竹林8个观测点，对野外露头裂缝进行观测，最终得到264组有效裂缝产状数据。

2.1 裂缝类型

根据野外露头观测，研究区裂缝包括构造成因的剪切缝、张性缝等。剪切缝发育程度最高，包括与岩层面垂直(75～90°)或高角度(45～75°)相交的平面剪切缝(图2a—c，图中裂缝产状表示为走向、倾角，下文同)以及低角度(15～45°)相交的剖面剪切缝(图2d)。平面剪切缝在野外各观测点均有广泛发育，以多期“X”型共轭剪切为特征，缝面平直光滑，延伸距离远，常切穿岩层，与岩层面近于垂直相交，在部分观测点可见阶梯状排列;剖面剪切缝发育程度较低，裂缝面平直，擦痕明显，延伸距离不定，与岩层斜交;张性缝仅在背斜核部少量发育，产状不稳定，延伸短，由于受到强烈的风化剥蚀，露头观测难度大。

图2 野外露头构造裂缝类型及发育特征Fig.2 The types and development characteristics of structural fractures of field outcrop

2.2 裂缝发育程度

研究区野外观测到的裂缝长度、开度、密度、倾角及充填情况等不尽相同。野外裂缝长度主要为1.0～2.0 m，其次为0.5～1.0 m，平均长度为1.2 m，背斜北翼的观测点裂缝发育程度更高，裂缝倾角大、缝面宽。以双河观测点为例，倾角大于45°的高角度裂缝占总裂缝数的65%，低角度裂缝仅占20%;裂缝发育线密度为3.0～8.0条/m，平均为5.0条/m;不同方向上裂缝开度不均，与背斜轴向近平行的裂缝开度较大，为0.2～0.3 cm，部分可达0.5 cm以上。相对而言，背斜南翼裂缝发育程度较低，倾角偏小，低角度缝约占32%，裂缝延伸长度主要在1.0 m以内，开度集中在0.1～0.2 cm，平均裂缝发育线密度为3.8条/m。野外观测到的裂缝多被充填，根据充填程度可将裂缝划分为全充填、半充填和未充填缝，其中，全充填缝和半充填缝占总数的75%左右，充填物包括方解石、泥质及少量黄铁矿。

2.3 裂缝优势方位

为了使应力分析的结果更加可靠，需以地层产状为基准对野外平面剪切缝产状数据进行复平，利用专业复平软件将现今裂缝产状恢复至地层褶皱变形之前。由复平后的产状数据可知(表1):研究区平面剪切缝优势方位主要为近EW、NW及NEE向，其次为NNE、NNW、NE向，剖面剪切缝优势方位为NWW、NW、NE向，以NE向最为发育。

表1 剪切缝产状统计表(经产状复平)Table 1 The statistical table of the occurrence of shear fractures(after leveling)

3 裂缝配套与分期

裂缝是长期多次构造运动的产物，为了研究区域构造变形史和古构造应力场，需进行裂缝的配套与分期［12－13］。配套是将一定区域不同时期形成的裂缝加以区分，分期是将一定构造期的统一应力场中形成的各组裂缝组合在一起，再根据不同期次裂缝间的交切限制关系即可判断形成顺序。

裂缝配套的依据主要是共轭剪切缝的组合关系，以及裂缝发育的总体特征及其与有关地质构造的关系［14－15］。利用赤平投影软件、Dips软件等，将复平后的裂缝产状数据制成玫瑰花图(图3a、b)与裂缝等密度图(图3c、d)。将同一应力场下形成的裂缝分配为一套，研究区野外露头裂缝共可分配为3套:第1套为NNW、NE向平面共轭剪切与NWW向剖面剪切缝，该套剪切缝在区内发育程度较低，裂缝以方解石全充填为主;第2套为近EW、NW向平面共轭剪切缝与NE向剖面剪切缝，该套剪切缝发育线密度大，产状近直立，充填程度高，充填物以方解石为主，其次为泥质、黄铁矿等;第3套为NNE、NEE向平面共轭剪切缝和NW向剖面剪切 缝，该套剪切缝充填程度低，仅见少量方解石充填。

图3 裂缝走向玫瑰花图与裂缝等密图Fig.3 The rose diagram of fracture strike and contour diagram of fractures

裂缝分期最主要的依据是裂缝之间的交切关系，包括错开、限制、互切等，其次可以利用与裂缝有关的地质体提供佐证［4，12］。由图 2a可知:NW(323°、78°)向平面缝向下延伸被 NNW(345°、76°)向与NE向(42°、81°)平面共轭剪切缝所限制，说明NW向平面剪切缝形成时间晚于NNW和NE向平面剪切缝。由图2b可知:SSW向(193°、75°)与NEE 向(71°、82°)共轭剪切缝切穿近 EW 向(94°、75°)平面剪切缝，而近 EW 向与 SE 向(143°、72°)为平面共轭剪切缝，说明SSW(NNE)与NEE向平面剪切缝在近EW与NW(SE)向裂缝之后形成。

4 裂缝发育期次分析

构造运动产生的挤压应力是裂缝形成的根本原因，根据库伦破裂准则，平面“X”型共轭剪切缝的锐夹角平分线指示最大主应力方向，剖面剪切缝的垂直方向指示最大主应力方向［16－17］。因此，根据现今野外观测裂缝复平后的分期配套情况，利用构造反演技术，结合区域构造背景，就能确定产生裂缝的构造运动的期次及应力方向，进而确定裂缝形成时期与演化模式。

4.1 构造反演受力分析

在上述裂缝分期配套的基础上，将处理过的裂缝产状数据利用strgraphprj软件制成构造反演受力分析图(图4)，分析形成裂缝的应力方向。结合图3、4，研究区构造裂缝的形成与演化受到3期不同方向的应力(σ1为最大主应力，MPa;σ2为中间主应力，MPa;σ3为最小主应力，MPa)作用:①受近SN向构造挤压应力作用，形成NNW、NE向平面剪切缝及少量NWW向剖面剪切缝;②受NW向构造挤压应力作用，发育近EW、NW向平面剪切缝及少量NE向剖面剪切缝;③由NE向构造挤压应力产生NNE、NEE向平面剪切缝及少量NW向剖面剪切缝。3期不同应力方向的构造运动经过先后叠加改造，最终形成现今露头裂缝的交切特征。

4.2 构造行迹分析

区域构造运动不仅反映在裂缝的交切关系上，褶皱形态特征同样可指示构造运动的叠加特征［18－19］。纵观研究区及周边地质构造，长宁背斜、象鼻场向斜、长垣坝背斜等均为近EW向构造体系，而长宁背斜轴部向西偏转为NE向，向东偏转为NW向，具有明显的多期次、多方向构造叠加特征(图5a)。符江向斜向西南延伸受罗场向斜限制(图5b)，形态发生扭转，二者斜接复合呈“人”字形，罗场向斜受切割程度较轻，符江向斜与长宁背斜西端相连，同属NE向构造，应为近EW向构造之后形成［20－22］。

图5 长宁地区褶皱叠置关系Fig.5 The fold superimposition relation in Changning

区域地质调查显示，早二叠世末，受东吴运动影响，中、上扬子台地发生广泛隆升与剥蚀，川南地区上升为陆。侏罗纪以来，扬子板块整体构造格局由拉张环境变为挤压环境，黔中古隆起向北不断扩张，同时，受到四川盆地刚性基底的阻挡，至燕山运动晚期，在强大的近SN向水平挤压应力作用下经“四川运动”最终使东西向构造体系定型，由此形成了长宁背斜等长轴背斜的雏形。喜山运动以来，太平洋板块与亚欧板块相碰撞使得青藏高原快速隆升，海相沉积期结束，剧烈的隆升对四川盆地形成NW—SE向联合挤压作用，长宁背斜西端被严重改造变形，符江向斜形态扭转与罗场向斜斜接复合，大量近EW向和NW向平面剪切缝以及NE向剖面剪切缝在此阶段形成。喜山运动中期，受印度板块与欧亚板块碰撞闭合的影响，大巴山、雪峰山及川中刚性基底共同作用，对研究区产生NE—SW向挤压作用，长宁背斜东段轴部向西南偏转，这一阶段发育的部分NW向断裂将先期形成的NE向断裂错开，形成了现今部分NE向与NW向断裂共轭的形态。

综上研究可知，长宁背斜龙马溪组沉积后从开始发生产状变化至今，共受到至少3期构造运动的影响。

5 结论

(1)长宁背斜龙马溪组页岩露头裂缝较为发育，以构造成因的高角度平面共轭剪切缝和剖面剪切缝为主，平面剪切缝发育优势方位包括近EW、NW、NEE、NNE、NNW、NE 向，剖面剪切缝发育优势方位为NWW、NW、NE向。

(2)长宁背斜龙马溪组裂缝形成于3个期次，第1期为燕山运动中—晚期，研究区受到近SN向应力挤压作用，发育NNW、NE向平面剪切缝和近EW向剖面剪切缝;第2期为燕山运动末期—喜山运动早期，研究区受NW向挤压应力作用，发育NW、近EW向平面剪切缝和NE向剖面剪切缝;第3期为喜山运动中期至现今，研究区受NE向应力挤压，发育近SN、NEE向平面剪切缝和NW向剖面剪切缝。